Den første kommercielt skalerbare integrerede laser og mikrokam på en enkelt chip

For femten år siden, UC Santa Barbara el- og materialeprofessor John Bowers var banebrydende for en metode til at integrere en laser på en siliciumwafer. Teknologien er siden blevet udbredt i vid udstrækning i kombination med andre siliciumfotonikenheder for at erstatte de kobbertrådsforbindelser, der tidligere forbandt servere i datacentre, dramatisk øget energieffektivitet - en vigtig indsats på et tidspunkt, hvor datatrafikken vokser med omkring 25 % om året.

For flere år, Bowers-gruppen har samarbejdet med gruppen af ​​Tobias J. Kippenberg ved det schweiziske føderale institut for teknologi (EPFL), inden for Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) programmet Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer (DODOS). Kippenberg-gruppen opdagede "mikrokomber, "en række parallelle, støjsvag, meget stabile laserlinjer. Hver af laserkammens mange linjer kan bære information, omfattende multiplicering af mængden af ​​data, der kan sendes af en enkelt laser.

For nylig, flere hold demonstrerede meget kompakte kamme ved at placere en halvlederlaserchip og en separat siliciumnitrid ringresonatorchip meget tæt på hinanden. Imidlertid, laseren og resonatoren var stadig separate enheder, lavet uafhængigt og derefter placeret i umiddelbar nærhed af hinanden perfekt justeret, en dyr og tidskrævende proces, der ikke er skalerbar.

Bowers-laboratoriet har arbejdet sammen med Kippenberg-laboratoriet om at udvikle en integreret halvlederlaser og resonator på chip, der er i stand til at producere en lasermikrokam. Et papir med titlen "Laser soliton microcombs heterogent integreret på silicium, " offentliggjort i det nye nummer af tidsskriftet Videnskab , beskriver laboratoriernes succes med at blive de første til at nå dette mål.

Soliton mikrokamme er optiske frekvenskamme, der udsender indbyrdes sammenhængende laserlinjer - dvs. linjer, der er konstante, uforanderlige fase i forhold til hinanden. Teknologien anvendes inden for områderne optisk timing, metrologi og sansning. Nylige feltdemonstrationer omfatter multi-terabit-per-sekund optisk kommunikation, ultrahurtig lysdetektion og rækkevidde (LiDAR), neuromorfisk databehandling, og astrofysisk spektrometerkalibrering til planetsøgning, for at nævne flere. Det er et kraftfuldt værktøj, der normalt kræver usædvanlig høj effekt og dyre lasere og sofistikeret optisk kobling for at fungere.

Arbejdsprincippet for en lasermikrokam, forklarede hovedforfatter Chao Xiang, en postdoc-forsker og nyslået ph.d. i Bowers laboratorium, er, at en distribueret feedback (DFB) laser producerer én laserlinje. Den linje passerer så gennem en optisk fasecontroller og går ind i mikroringresonatoren, hvilket får effektintensiteten til at stige, når lyset bevæger sig rundt i ringen. Hvis intensiteten når en vis tærskel, ikke-lineære optiske effekter forekommer, får den ene laserlinje til at skabe to yderligere, identiske linjer på begge sider. Hver af disse to "sidelinjer" skaber andre, fører til en kaskade af laserlinjegenerering. "Du ender med en række gensidigt sammenhængende frekvenskamme, " sagde Xiang - og en stærkt udvidet evne til at overføre data.

Denne forskning gør det muligt at integrere halvlederlasere sømløst med ikke-lineære optiske mikroresonatorer med lavt tab - "lavt tab", fordi lyset kan bevæge sig i bølgelederen uden at miste en væsentlig del af dets intensitet over afstand. Der kræves ingen optisk kobling, og enheden er fuldstændig elektrisk styret. Vigtigt, den nye teknologi egner sig til produktion i kommerciel skala, fordi tusindvis af enheder kan fremstilles af en enkelt wafer ved hjælp af industristandard komplementære metaloxid-halvleder (CMOS)-kompatible teknikker. "Vores tilgang baner vejen for store mængder, lavprisfremstilling af chip-baserede frekvenskamme til næste generations højkapacitets transceivere, datacentre, rum og mobile platforme, " sagde forskerne.

Den vigtigste udfordring ved fremstillingen af ​​enheden var, at halvlederlaseren og resonatoren, som genererer kammen, skulle bygges på forskellige materialeplatforme. Laserne kan kun fremstilles med materialer fra III- og V-grupperne i det periodiske system, såsom indiumphosphid, og de bedste kamme kan kun laves af siliciumnitrid. "Så, vi skulle finde en måde at sætte dem sammen på en enkelt oblat, Xiang forklarede.

Arbejder sekventielt på den samme wafer, forskerne udnyttede UCSB's heterogene integrationsproces til fremstilling af højtydende lasere på siliciumsubstrat og deres EPFL-samarbejdspartneres evne til at lave optage ultra-lavt tab high-Q siliciumnitrid mikroresonatorer ved hjælp af den "fotoniske damascene proces", de udviklede. Wafer-skala-processen – i modsætning til at lave individuelle enheder og derefter kombinere dem én efter én – gør det muligt at fremstille tusindvis af enheder fra en enkelt 100 mm-diameter wafer, et produktionsniveau, der kan skaleres yderligere op fra industristandarden 200 mm- eller 300 mm-diameter substrat.

For at enheden skal fungere korrekt, laseren, resonatoren og den optiske fase mellem dem skal styres for at skabe et koblet system baseret på "selv-injection locking"-fænomenet. Xiang forklarede, at laseroutputtet delvist tilbagereflekteres af mikroresonatoren. Når en bestemt fasetilstand opnås mellem lyset fra laseren og det tilbagereflekterede lys fra resonatoren, laseren siges at være låst til resonatoren.

Normalt, tilbagereflekteret lys skader laserens ydeevne, men her er det afgørende for generering af mikrokammen. Det låste laserlys udløser solitondannelse i resonatoren og reducerer laserlysstøjen, eller frekvens ustabilitet, på samme tid. Dermed, noget skadeligt forvandles til en fordel. Som resultat, holdet var i stand til at skabe ikke kun den første laser soliton mikrokam integreret på en enkelt chip, men også de første laserkilder med smal linjebredde med flere tilgængelige kanaler på én chip.

"Området for generering af optiske kam er meget spændende og bevæger sig meget hurtigt. Det er at finde anvendelser i optiske ure, højkapacitets optiske netværk og mange spektroskopiske applikationer, " sagde Bowers, Fred Kavli-stolen i nanoteknologi og direktør for Ingeniørhøjskolens Institut for Energieffektivitet. "Det manglende element har været en selvstændig chip, der inkluderer både pumpelaseren og den optiske resonator. Vi demonstrerede, at nøgleelementet, hvilket burde åbne op for hurtig indførelse af denne teknologi."

"Jeg tror, ​​at dette arbejde vil blive meget stort, " sagde Xiang. Potentialet i denne nye teknologi, han tilføjede, minder ham om den måde, hvorpå lasere på silicium for 15 år siden fremmede både forskning og industriel kommercialisering af siliciumfotonik. "Den transformative teknologi er blevet kommercialiseret, og Intel sender millioner af transceiverprodukter om året, " sagde han. "Fremtidig siliciumfotonik, der bruger co-pakket optik, vil sandsynligvis være en stærk driver for transceivere med højere kapacitet, der bruger et stort antal optiske kanaler."

Xiang forklarede, at den nuværende kam producerer omkring tyve til tredive brugbare kamlinjer, og at målet fremover vil være at øge dette antal, "forhåbentlig at få hundrede kombinerede linjer fra hver laser-resonator, med lavt strømforbrug."

Baseret på soliton mikrokammenes lave energiforbrug og deres evne til at levere et stort antal optiske kamlinjer med høj renhed til datakommunikation, sagde Xiang, "Vi tror på, at vores præstation kan blive rygraden i bestræbelserne på at anvende optiske frekvenskamteknologier på mange områder, herunder bestræbelser på at holde trit med hurtigt voksende datatrafik og, forhåbentlig, bremse væksten i energiforbruget i megaskala datacentre."